CN109286457A - 基于小波分析的twacs上行信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了基于小波分析的TWACS上行信号检测方法，包括将电压过零点区域对应电流的瞬间脉冲叠加在电流上，利用连续N个周期电流波形表示1位信息，并加入编码规则，在信号发送端形成信息调制波；在信号接收端，对调制信号进行解调，判断接收信号的类型。本发明在工频通信的信号发送端上设置编码规则，在接收端进行信号解调时，根据解调结果的值，判断接收信号的类型，简单便捷；且利用复小波变换对工频畸变信号进行解调，从理论上分析了调制信号的信噪比的变化情况，有效地降低了噪声干扰的影响。

Description

基于小波分析的TWACS上行信号检测方法

技术领域

本发明涉及工频通信技术领域，具体地说是基于小波分析的TWACS上行信号检测方法。

背景技术

TWACS(Two Way Automatic Communication System，双向工频通信技术)是新兴的一种适用于电力配电网的双向数字通信技术，其原理是利用双向工频通信技术在电压基波过零调制的方法实现信号的调制和解调。这种技术不受馈线结构、电容和变压器绕组结构的限制，且信号衰减很小，没有驻波现象。

传统的TWACS解调采用时域检差算法，无法得到被检测信号的全面特征，且抗干扰能力较差，难以噪声干扰严重的在工业配电网中应用。

发明内容

本发明实施例中提供了一种基于小波分析的TWACS上行信号检测方法，以解决现有技术中TWACS解调算法抗干扰能力差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

基于小波分析的TWACS上行信号检测方法，包括以下步骤：

将电压过零点区域对应电流的瞬间脉冲叠加在电流上，利用连续N个周期电流波形表示1位信息，并加入编码规则，在信号发送端形成信息调制波；

在信号接收端，对调制信号进行解调，判断接收信号的类型。

进一步地，所述编码规则为：

选取每8个过零点中的4个进行调制，使2个正过零，2个负过零，得到36组码图；

选取1组码图，将该组码图的4个过零点加入调制信号“1”，另外4个过零点加入调制信号“0”。

进一步地，对选取码图的过零点1、3、6、8加入调制信号“1”，过零点2、4、5、7加入调制信号“0”。

进一步地，所述对调制信号的解调采用时域差算法或复小波算法。

进一步地，采用时域差算法调制信号进行解调，判断接收信号类型的具体过程为：

在每一个电压过零点所对应的电流区域采样K个点；

将采样点处的电流信号进行差分累加；

根据累加值的正负，判断信息位的类型。

进一步地，差分累加的计算方法为：

D为电流差分累加值，A_1i、A_3i、A_2i、A_4i、B_1i、B_3i、B_2i和B_4i均为采样点；

当D＝0时，表示无信号；当D＝+4c时，表示信息位“1”；当D＝-4c时，表示信息位“0”，c为入站电流脉冲的强度。

进一步地，采用复小波算法调制信号进行解调，判断接收信号类型具体为：

对畸变电流的合成信号进行正弦波拟合；

利用复小波的虚部公式进行匹配滤波解调；

根据虚部公式取值的正负判断接收信号的类型。

进一步地，利用复小波算法进行信号的滤波解调的公式为：

式中，D(t)表示有噪畸变电流的合成信号，f(k)为双极性数据信息，v(t)为畸变电流，n(t)为电网干扰噪声，

利用复小波的虚部公式进行匹配滤波解调，则上式的虚部表示为：

根据H(t)的正负判断接收信号是“1”还是“0”，当H＞0时，接收到的信号是“1”；当H＜0时，接收到的信号是“0”。

进一步地，有噪畸变电流的合成信号D(t)的表达式为：

D(t)＝2f(k)[v(t)-v(t-τ)]。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

在工频通信的信号发送端上设置编码规则，在接收端进行信号解调时，根据解调结果的值，判断接收信号的类型，简单便捷；且利用复值小波变换对工频畸变信号进行解调，从理论上分析了调制信号的信噪比的变化情况，有效地降低了噪声干扰的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述方法实施例的流程示意图；

图2是本发明上行信号调制波形图；

图3是本发明信号编码示意图；

图4是本发明电压过零点所对应的电流区域采样点示意图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图1所示，本发明基于小波分析的TWACS上行信号检测方法包括：

S1，将电压过零点区域对应电流的瞬间脉冲叠加在电流上，利用连续N个周期电流波形表示1位信息，并加入编码规则，在信号发送端形成信息调制波；

S2，在信号接收端，对调制信号进行解调，判断接收信号的类型。

步骤S1中，TWACS上行信号的调制对象是电网电流波形，由远程用户端完成，通过在电压过零点时刻附近对应得电流的瞬间脉冲叠加在电流上来表示信息，信号调制波形如图2所示。

因为配电网的电流谐波比较严重，利用连续4个周期电流波形表示1位信息。如图3所示，定义编码原则如下：对8个过零点的4个进行调制，使2个正过零、2个负过零，得到36个码图。由于表示“1”和“0”的码图是互补对应的，共有18个码图可用，如表1所示的上行信号编码方式。

表1

选取第12组编码，即在过零点1、3、6、8加入调制信号表示数字“1”，在2、4、5、7加入调制信号表示数字“0”。利用本组编码在接收端分别解调多个编码信号时，总误码率相对较小，抗干扰性能好，有利于信号检测。

步骤S2中，TWACS上行信号的检测是一个判断有无信号的问题。，采用时域差算法调制信号进行解调，判断接收信号类型的过程是：首先将电压过零区域的电流信号进行差分累加，然后再进行正负判断是“0”还是“1”。

如图4所示，根据发送端利用电压波形过零区域调制的特性，接收端只在电压过零点附近来设置检测窗口。在每一个电压过零点所对应的电流区域采样K个点，各自设为A11-A1K，B11-B1K…，A41-A4K，B41-B4K。

设电流信号差分累加后的值为D，那么就可以表示为

这样，根据D的运算值，就能判断信息位的类型。当D＝0时，表示无信号；当D＝+4c时，表示信息位“1”；当D＝-4c时，表示信息位“0”。c为入站电流脉冲的强度。

图1所示的上行调制电流波形中，4个连续工频周期的上行调制电流表示为：

(2)式中，v(t)为畸变电流，v(t)所占时长为τ，加权系数a_i为±1或0，T为工频周期。畸变电流合成信号表示为：

D(t)＝2f(k)[v(t)-v(t-τ)] (3)

(3)式中，f(k)为双极性数据信息，v(t)-v(t-τ)在时域接近正弦波形，也就是说，合成信号接近正弦波形，且所占时间长度能够确定。

对(1)式的解调表示为：

在传统上行信号通信中，利用方波I(t)＝I₁(t)+I₂(t+τ)进行匹配滤波，其中I₁(δ)＝1，I₂(δ)＝-1，δ∈(-∞，+∞)。

令由此可得：

根据编码规律，如果没有调制信号，那么H＝0；如果有调制信号，H≠0。当接收到的信号是“1”时，H＞0；当接收到的信号是“0”时，H＜0。这样，根据H的正负就能够判断收到的信号是“1”还是“0”。

当配电网通信传输信道的数据传输环境相对复杂，噪声干扰情况严重时，设电网干扰噪声为n(t)，有噪畸变电流合成信号可表示为：

D(t)＝2f(k)[v(t)-v(t-τ)]+n(t) (6)

这样，解调运算即为：

由于噪声n(t)的存在，E(t)的正负除了与f(k)有关，还与噪声有关。当噪声严重时，n(t)很大，工频通信的传输畸变信号就会完全淹没在配电网基波、谐波噪声中。H也随之发生了变化，趋近于0，此时只根据H的正负，不能够很好的判别接收信号是“1”还是“0”，系统可靠性大大降低，通信性能不理想。

小波分析的实质是对原始信号的滤波过程。从信号处理的角度来看，小波变换是一种谐波分析的方法。所谓“小波”指分析函数ψ(t)经过伸缩和平移后可以得到一系列函数集：

其中，ψ(t)满足下列条件：

1)ψ(t)的平方可积，记为ψ(t)∈L²(R)

2)ψ(ω)为ψ(t)的傅里叶变换

对于信号f(t)，其小波变换定义为：

由(9)式可以看出，函数的小波变换WT_f(a，τ)的数值是原来的信号f(t)在t＝τ点附近按照ψ_a，τ(t)进行加权的平均，体现的是以ψ_a，τ(t)为标准快慢的f(t)的变化情况，参数a称为尺度参数，参数τ称为时间中心参数。当时间中心参数τ固定不变时，小波变化WT_f(a，τ)体现的是原来的函数或信号f(t)在t＝τ点附近随着分析和观察的范围逐渐变化表现出来的变化情况。

当(9)式中的信号f(t)，小波函数ψ(t)均为实函数时，为实小波变换；而只要ψ(t)为复函数，不论f(t)是实函数还是复函数，即为复小波变换。

复小波从信号的幅频、相频特性进行综合评价，取得最佳的小波分析效果。本实施例选取Gauss函数作为复小波变换的窗函数，Gauss函数是基函数(正弦和余弦函数)的包络：

下式(11)在短窗情况下，如当正弦和余弦为一个周期时，则窗函数将不能与基函数很好配合。本实施例采用复小波实部和虚部的离散序列表达式如下：

其中，前1个因子为窗函数，后1个因子和为基函数。基函数中的n-0.5以及窗函数中的n-0.5-M/2，都是为了使离散序列值对称，性能更好。b取不同实数值，可以调节窗函数与基函数的关系。

设调制信号为x(n)，求得此时基函数的实部X_R(n)，基函数的虚部X_I(n)，如式(12)所示，*表示卷积：

利用复小波算法进行信号的滤波解调，可表示为：

式(13)中，D(t)表示有噪畸变电流的合成信号，f(k)为双极性数据信息，v(t)为畸变电流，n(t)为电网干扰噪声。因畸变电流合成信号接近正弦波形，对其进行拟合，利用复小波的虚部公式进行匹配滤波解调，上式(13)的虚部可近似表示为下式(14)。根据H(t)的正负就可以判断接收信号是“1”还是“0”，当接收到的信号是“1”时，H＞0；当接收到的信号是“0”时，H＜0。

通过改变噪声幅值来改变畸变信号和噪声信号的有效功率比值，对比在发送“1”和“0”时，两种方法所得值的正负。

下面通过将下行电压调制信号近似为300Hz的正弦信号，将上行电流调制信号通过叠加合成为近似的150Hz正弦信号。通过逐渐改变噪声的幅值，从而改变畸变信号和噪声信号的有效功率比值，来对比时域差分算法和复小波算法的优劣性。仿真实验的对比结果如表2所示。

表2

在噪声I、II情况下，时域差分算法和复小波算法都能准确的判断出接收信号的类型，而在噪声III的情况下，前者出现了误判，而复值小波准确的判断出了信号。仿真实验证明，在噪声较大的情况下，复小波算法的性能比时域差分算法的性能更好。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于小波分析的TWACS上行信号检测方法，其特征是，包括以下步骤：

将电压过零点区域对应电流的瞬间脉冲叠加在电流上，利用连续N个周期电流波形表示1位信息，并加入编码规则，在信号发送端形成信息调制波；

在信号接收端，对调制信号进行解调，判断接收信号的类型。

2.根据权利要求1所述的基于小波分析的TWACS上行信号检测方法，其特征是，所述编码规则为：

选取每8个过零点中的4个进行调制，使2个正过零，2个负过零，得到36组码图；

选取1组码图，将该组码图的4个过零点加入调制信号“1”，另外4个过零点加入调制信号“0”。

3.根据权利要求2所述的基于小波分析的TWACS上行信号检测方法，其特征是，对选取码图的过零点1、3、6、8加入调制信号“1”，过零点2、4、5、7加入调制信号“0”。

4.根据权利要求2所述的基于小波分析的TWACS上行信号检测方法，其特征是，所述对调制信号的解调采用时域差算法或复小波算法。

5.根据权利要求4所述的基于小波分析的TWACS上行信号检测方法，其特征是，采用时域差算法调制信号进行解调，判断接收信号类型的具体过程为：

在每一个电压过零点所对应的电流区域采样K个点；

将采样点处的电流信号进行差分累加；

根据累加值的正负，判断信息位的类型。

6.根据权利要求5所述的基于小波分析的TWACS上行信号检测方法，其特征是，差分累加的计算方法为：

D为电流差分累加值，A_1i、A_3i、A_2i、A_4i、B_1i、B_3i、B_2i和B_4i均为采样点；

当D＝0时，表示无信号；当D＝+4c时，表示信息位“1”；当D＝-4c时，表示信息位“0”，c为入站电流脉冲的强度。

7.根据权利要求4所述的基于小波分析的TWACS上行信号检测方法，其特征是，采用复小波算法调制信号进行解调，判断接收信号类型具体为：

对畸变电流的合成信号进行正弦波拟合；

利用复小波的虚部公式进行匹配滤波解调；

根据虚部公式取值的正负判断接收信号的类型。

8.根据权利要求所述的基于小波分析的TWACS上行信号检测方法，其特征是，利用复小波算法进行信号的滤波解调的公式为：

式中，D(t)表示有噪畸变电流的合成信号，f(k)为双极性数据信息，v(t)为畸变电流，n(t)为电网干扰噪声，

利用复小波的虚部公式进行匹配滤波解调，则上式的虚部表示为：

根据H(t)的正负判断接收信号是“1”还是“0”，当H＞0时，接收到的信号是“1”；当H＜0时，接收到的信号是“0”。

9.根据权利要求8所述的基于小波分析的TWACS上行信号检测方法，其特征是，有噪畸变电流的合成信号D(t)的表达式为：

D(t)＝2f(k)[v(t)-v(t-τ)]。